JP2002122093A

JP2002122093A - 自動運転型水中ポンプ

Info

Publication number: JP2002122093A
Application number: JP2000313326A
Authority: JP
Inventors: Yukio Murai; 井幸夫村; Masaichi Tokuchi; 政一渡久地
Original assignee: Ebara Corp; Ebara Techno System Co Ltd
Current assignee: Ebara Corp; Ebara Techno System Co Ltd
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ポンプの外部に取扱いに際して損傷の懸念の
ある電極やフロート式水位検出装置を設けずに、ポンプ
の停止動作が確実で信頼性の高い自動運転型水中ポンプ
の提供。また、水位低下による渇水運転状態を従来の電
流値によらず、他の電動機運転パラメータを監視するこ
とで検知して運転制御する自動自動運転型水中ポンプの
提供。【解決手段】液面を検知してモータ（１）運転を制御
する自動運転水中ポンプにおいて、モータ（１）に供給
される電圧と電流の位相差を検出する位相差検出手段
と、その位相差が所定のしきい値に達したときに前記自
動運転水中ポンプ（ＰＣ）を停止させるポンプ制御手段
を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土木工事現場にお
ける排水や浄化槽での汚水移送等に使用する自動運転型
水中ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例を示す図４において、自動水中ポ
ンプ１Ａは、モータ部２Ａとポンプ部３Ａとで構成され
ている。モータ部２Ａは、主として外部ケーシング６Ａ
内に設けられた固定子１３Ａと、固定子１３Ａ内に回転
自由に設けられた回転子１４Ａと、固定子に取り付けら
れた軸１２Ａとで構成されている。

【０００３】外部ケーシング６Ａの上部に、外部ケーシ
ング６Ａと電気的に絶縁して第１電極７Ａが取り付けら
れ、外部ケーシング６Ａを第２電極とし、移送水５Ａを
導通材としてスイッチ回路とするよう構成され、それぞ
れの電極７Ａ、６Ａは外部ケーシング６Ａ内に設けられ
た制御回路８に線で接続されている。

【０００４】ポンプ部３Ａは、モータ部２Ａの下部に設
けられたポンプケーシング２３Ａと、ケーシング２３Ａ
が形成する渦室状のボリュート２３Ｂと、軸１２Ａの下
端に取り付けられボリュート２３Ｂ内で作動する羽根２
１Ａとで構成されている。ケーシング２３Ａには、羽根
２１Ａの下部に吸入口２４が設けられ、上外部に通じる
吐出管２５Ａが接続されている。

【０００５】上記構成の水中ポンプにおいて、移送水５
Ａの水位が上昇し第１電極７Ａに達すると、第１電極７
Ａと第２電極６Ａの間に電気的導通が生じ、これによっ
て液位を検出しポンプ１Ａを自動運転させている。ま
た、ポンプ１Ａの停止は、第１電極７Ａと第２電極６Ａ
との間に電気的導通が得られなくなってからタイマーに
よって一定時間後に強制停止が行われる。

【０００６】図５は、従来のフロート式水位検知装置を
有する他の自動運転型水中ポンプＰＣｂの例を示したも
ので、水位Ｈが上昇して上部フロートスイッチ１Ｃが上
向きになってフロートスイッチ１Ｃが動作するとポンプ
ＰＣｂを運転し、ポンプＰＣｂが排水することによって
水位Ｈが低下し、下部フロートスイッチ２Ｃが下向きに
なるとポンプＰＣを停止させるものである。これら上下
のフロートスイッチ１Ｃおよび２Ｃの信号によって電動
機３ＣをＯＮ／ＯＦＦするための制御回路は電動機３Ｃ
内に組み込まれている。

【０００７】しかしながら、これらの従来技術において
は、何れも特別な電極或いはフロートスイッチを外部に
設けているため、電極やフロートスイッチ導出部の絶縁
処理や気、水密処理にコストがかかり、より安価な製品
を提供するのに限界があった。また、土木工事現場にお
ける排水に用いる自動運転式水中ポンプでは、ポンプの
取扱いが悪く、図４、５の様な突出した電極形状やフロ
ートスイッチは突出した部分の折損やフロートの破損、
フロートケーブルの損傷等のトラブルが発生し易いとい
う問題があった。

【０００８】また、電極方式の自動運転型水中ポンプで
は、汚水による汚れ、工事現場での排水では炭酸カルシ
ュームの表面付着、等によって水位の検出感度が大きく
影響を受け、自動運転ができない事例もあった。

【０００９】また、何れの場合でも、外部に水位検出装
置を置くので、その分ポンプ設置場所に余裕が必要で、
特別に狭い場所にポンプを設置しなければならない場合
には、これら外部液面検出装置が設置上の障害になる事
例もあった。

【００１０】一方、電極やフロート式水位検出装置を設
けずにポンプの運転を制御する手段としては、ポンプが
排水し、渇水運転状態になると空気の混入によってポン
プの運転負荷が低下するため、入力電流の検出回路を設
け、入力電流が所定値以下に達するとポンプを停止させ
るという方法も従来から用いられていた。

【００１１】しかしながら、この方法を小出力の単相電
動機に適用しようとすると、この種の電動機は小型化、
原価低減のために無負荷電流が高い設計になっており、
渇水運転状態と正常運転との差が顕著でないために、渇
水状態を検知できずに誤動作するという問題があった。

【００１２】

【知見】一般に排水用の小型水中ポンプは誘導電動機に
渦巻ポンプを直動式に組み込んでおり、小型渦巻ポンプ
の特性によって、バルブを閉め切った状態や、渇水運転
の状態では負荷が低下し、これによって力率が大きく低
下する。

【００１３】図３は、小出力、単相誘導電動機の特性表
の例を示したものである。横軸に負荷率（％）を示し、
左縦軸に力率（％）を示した曲線Ｋｒが力率特性を表
し、負荷率の増加に対して力率（％）が単調増加してい
る。一方、右縦軸に電流（Ａ）を示した曲線Ｋｉは所用
入力電流特性を表し、負荷率の増加に対して、特に低負
荷率では電流の顕著な増加をしない。

【００１４】上記特性から、力率を運転制御パラメータ
として使用し、排水による水位低下での力率低下の検知
によってポンプを停止させれば、誤りのないポンプの自
動停止をさせることができる。

【００１５】本発明は、この力率の変化によってポンプ
が渇水状態に達したことを検知し、ポンプを停止させ、
一定時間後に自動的にポンプを再始動させるものであ
る。

【００１６】また、純粋な誘導負荷の場合には、入力電
圧のベクトルの向きに対して電流のベクトルの向きは９
０゜ずれるが、ポンプが正常な運転を行ってトルクを発
生している場合にはそのずれは小さくなっている。そし
て、発生トルクが低下するに応じて電流ベクトルの電圧
ベクトルに対する遅れが大きくなり、完全な無負荷では
９０゜に近づく。

【００１７】本発明はこの誘導電動機の一般特性を利用
して、下記のように渇水運転状態の判別を行うものであ
る。

【００１８】（１）電動機の入力回路に、入力電圧信
号を出力するアッテネータと入力電流信号を出力させる
ためのトランスデューサを設けると同時に、アッテネー
タで入力電圧の信号レベルを入力電流信号のレベルに合
わせ、かつアッテネータ出力部に移相器を設けて、入力
電圧の信号の位相を正常運転状態と判定できる最も低い
力率に対応するある値分だけ遅らせる。これによって、
ポンプが正常運転状態にある時は電流信号は電圧信号に
対して進相状態となっている。一方、ポンプが排水する
ことによって水位が低下し、渇水運転状態に達すると空
気混入によって電動機負荷が著しく低減する。この時、
入力電圧信号と入力電流信号との位相差は９０゜に近づ
くため電流信号は移相器を出た電圧信号に対して遅れ状
態となる。

【００１９】（２）上記の移相器を介した電圧信号と
入力電流信号を比較器に入れ電流信号の位相がゼロまた
は進み状態であれば比較器の出力を｛Ｌ｝とし、一方、
電流信号の位相が遅れ状態であれば比較器の出力が
｛Ｈ｝となるように回路を構成すれば、比較器の出力で
ポンプが正常運転状態か渇水運転状態にあるかが、容易
に判別できる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した様
な従来技術における問題点を知見をもとに解決するもの
で、ポンプの外部に電極やフロート式水位検出装置を設
けずに、ポンプの停止動作が確実で信頼性の高い自動運
転装置内蔵型の水中ポンプの提供を目的とする。また、
水位低下による渇水運転状態を従来の電流値によらず、
他の電動機運転パラメータを監視することで検知して運
転制御する自動運転装置内蔵型の水中ポンプの提供を別
の目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の自動運転型水中
ポンプは、水中モータに自動運転制御回路を内蔵してお
り、液面を検知してモータ運転を制御する自動運転型水
中ポンプにおいて、前記モータに供給される電圧と電流
の位相差を検出する位相差検出手段と、その位相差が所
定のしきい値に達したときに前記自動運転型水中ポンプ
を停止させるポンプ制御手段を設けている。

【００２２】上記において、モータにかかる負荷が液面
の高い正常運転では入力電流の位相が入力電圧に対して
９０゜よりはるかに小さい角度の遅延をしているので、
この遅延を利用して送電スイッチを制御する。

【００２３】また、前記制御手段は、前記自動運転型水
中ポンプの起動をタイマーによって強制運転させること
が好ましい。或いは、ポンプの外部に水位検出手段（例
えば、電極、フロートスイッチ等から構成されている）
を設け、該水位検出手段から発生する信号に基づいてポ
ンプを始動する様に構成されているのが好ましい。

【００２４】上記によって、所定の運転停止時間の経過
後にポンプを起動させ、運転が必要な状態であれば運転
を継続し、運転不要な渇水状態であれば運転を停止させ
て、水位に応じた運転をさせる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の自動
運転型水中ポンプの実施の形態を説明する。図１は、自
動運転型水中ポンプＰＣの構成を示す縦断面図であり、
縦型水中電動機１と、その下部に装着されたポンプ部２
とで構成がされている。

【００２６】縦型水中電動機１（以降電動機と略記す
る）は、円筒状の電動機フレーム１１の内部に固定され
た固定子１３と、固定子１３の内部に回転自由に設けら
れた回転子１４と、回転子１４に取り付けられた軸１２
と、電動機フレーム１１の上部に取り付けられたモータ
カバー１６内に装着された自動運転制御回路１７とで構
成されている。符号１５は、軸１２の上端部を軸受け固
定するブラケットを、符号１８は電動機フレーム１１と
モータカバー１６を気密するＯ−リングをそれぞれ示し
ている。また、符号１９は外部電源から電動機１に電気
を供給する電源ケーブルを示している。

【００２７】ポンプ部２は、上記軸１２の下端部に水平
に取り付けられナット２２で固定された羽根車２１と、
羽根車２１の回転室となるボリュート２６の下部を形成
するポンプケーシング２３と、ボリュート２６の上部を
形成するとともに電動機フレーム１１への水密用軸封装
置２５を支持する中間ケーシング２４と、ポンプケーシ
ング２３を下方からボルト２４で緊締するベース２７と
で構成されている。

【００２８】ポンプケーシング２３の下部に移送水を吸
入する吸入口２３１が形成され、外端部上方に吐出口２
３２を有する吐出管２３４が取り付けられている。

【００２９】図２は、自動運転制御回路１７の構成詳細
を示している。図２において、ポンプ部２に軸１２で電
動機１が接続され、その電動機１の一端に電磁式のリレ
ースイッチ３を介して電線Ｌ１が明示しない電源の一方
に接続されている。

【００３０】また、電動機１の他端に、電動機入力電流
信号を送信するトランスデューサ５を介した電線Ｌ２が
明示しない電源の他方に接続されている。また、電源か
らスイッチ３に至る電線Ｌ１と、電動機１とトランスデ
ューサ５間の電線Ｌ２を電線Ｌ３が短絡して接続されて
いる。その電線Ｌ３に電動機入力電圧信号を送信するア
ッテネータ４が介装されている。

【００３１】トランスデューサ５から比較器７の入力側
の１つに電線Ｌ４が接続されアッテネータ４から比較器
７の入力側の他の１つに移相器６を介した電線Ｌ５が接
続されている。移相器６は、電動機入力電圧信号の位相
を正常運転時の入力電流信号の入力電圧信号に対する遅
れ量に合わせる機能を有している。上記のアッテネータ
４と、トランスデューサ５と、移相器５と、比較器７と
で、位相差検出手段の主要機能を有している。

【００３２】比較器７の出力側から直流検波回路８に電
線Ｌ６が接続され、その直流検波回路８にタイマー回路
９から電線Ｌ７が接続されている。直流検波回路８は、
比較器７の出力を直流に変換しかつ、時間遅れ回路を有
していて、その出力信号を送信する電線Ｌ８がスイッチ
３に接続されている。上記の直流検波回路８と、スイッ
チ３とで、ポンプ制御手段の主要機能を有している。

【００３３】上記構成の自動制御回路１７の作用を説明
する。図２において、自動運転型水中ポンプＰＣが正常
な運転範囲にある場合は、誘導負荷である電動機１の入
力電流の位相は、入力電圧に対して９０゜よりはるかに
小さいある角度遅延している。従って、アッテネータ４
によって入力電圧の信号の位相を正常運転と回路が判定
できる所定値の分だけ遅らせれば、電流信号は電圧信号
に対して進相状態となっている。

【００３４】この時、比較器７の出力はゼロとなり、直
流検波回路８からの出力がＬ（低）レベルとなってい
る。そして、スイッチ３には信号が送られないのでスイ
ッチ３を閉状態で電動機１は正常に作動する。

【００３５】ポンプ部２が排水することによって水位が
低下し、渇水運転状態に達すると空気混入によって電動
機１の負荷が著しく低減する。位相差は、９０゜に近づ
くため上述の電流信号は、移相器６からの電圧信号に対
して遅れ状態となる。この遅れ状態を検出して所定のし
きい値に達したときに、比較器７から信号が出力されス
イッチ３を介して電動機１の作動を停止させる。ただ
し、直流検波回路８には動作安定性のための時間遅れ回
路が含まれているので、一定時間の渇水運転後にスイッ
チ３を開にし、ポンプ部２を停止させる。

【００３６】タイマー回路９は、ポンプ部２が停止して
から所定の一定時間後に強制運転させるための回路なの
で、再起動時に水位が所定位置まで復帰していない場合
は、ポンプ部２は再び渇水運転状態となり、上述の動作
を繰り返して停止する。水位が復帰していれば、ポンプ
部２は正常運転で排水する。

【００３７】前述の実施形態では、ポンプ部２の運転を
タイマー回路９による強制運転としているが、本発明の
渇水運転検知によるポンプ停止手段と組み合わせて、電
極、フロートスイッチ等で構成された他の水位検知手段
を設け、これらの信号に基づいてポンプ部２を始動させ
ることもできる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の作用効果を、以下に列挙する。（１）水中ポンプのモータにかかる負荷を検出して水
中ポンプの運転を制御するので、従来のような外部に電
極、フロートスイッチ等の水位検知手段を設ける必要が
ないので、電極やフロートスイッチ等が省けて製作、装
着コストおよび保全工数が不要である。（２）ポンプのケーシング外部に電極、フロートスイ
ッチ等の突起部品を取り付けないので、手荒な取扱いに
も破損のない堅牢なポンプになる。（３）従来の運転電流の変化を検知してモータの制御
をする方式と異なり、力率の変化により渇水運転の状態
を検知するので、誤差の生じない信頼性の高い制御がで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動運転型水中ポンプの縦断面図。

【図２】図１の自動運転制御回路の構成図。

【図３】小出力の単相誘導電動機の特性を示す図。

【図４】従来の自動運転型水中ポンプの縦断面図。

【図５】従来のフロート式水位検知装置を有する自動運
転型水中ポンプの例。

【符号の説明】

ＰＣ・・・自動運転型水中ポンプＬ１、Ｌ２〜Ｌ８・・電線１・・・水中電動機２・・・ポンプ部３・・・スイッチ４・・・アッテネータ５・・・トランスデューサ７・・・比較器８・・・直流検波回路９・・・タイマー回路１１・・・フレーム１２・・・軸１３・・・固定子１４・・・回転子１５・・・ブラケット１６・・・モータカバー１７・・・自動運転制御回路１８・・・Ｏーリング１９・・・電源ケーブル２１・・・羽根車２３・・・ポンプケーシング２４・・・中間ケーシング２５・・・軸封装置２６・・・ボリュート２７・・・ベース２３１・・吸入口２３２・・吐出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡久地政一東京都港区芝浦４−16−23 ＡＱＵＡＣＩＴＹ芝浦ビル５階荏原テクノシステム株式会社内Ｆターム(参考） 3H020 AA01 AA08 BA02 BA03 BA07 CA07 CA08 DA01 DA02 DA04 EA07 EA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水中モータに自動運転制御回路を内蔵し
ており、液面を検知してモータ運転を制御する自動運転
型水中ポンプにおいて、前記モータに供給される電圧と
電流の位相差を検出する位相差検出手段と、その位相差
が所定のしきい値に達したときに前記自動運転型水中ポ
ンプを停止させるポンプ制御手段を設けたことを特徴と
する自動運転型水中ポンプ。
【請求項２】前記ポンプ制御手段は、前記自動運転型
水中ポンプの起動をタイマーによって強制運転させる機
能を有する請求項１の自動運転型水中ポンプ。
【請求項３】ポンプの外部に水位検出手段を設け、該
水位検出手段から発生する信号に基づいてポンプを始動
する様に構成されている請求項１の自動運転型水中ポン
プ。